光合色素提取中碳酸鈣對葉綠素保護機制的微探

吳 東

(浙江省紹興市柯橋區鑒湖中學 紹興 312030)

在植物光合色素的提取中，為了保護葉綠素不被破壞需要加入碳酸鈣(CaCO3)，不少學生會問碳酸鈣到底是如何保護葉綠素的？能否替換成碳酸鈉呢？要解決這個問題，我們得先來認識一下葉綠素。

1 葉綠素的基本理化性質

葉綠素是植物或藻類細胞合成的一種具有吸收、傳遞、轉化光能作用的復雜有機分子，除了在光合作用過程中具有極為重要的生理學意義，在植物系統學上也具有極為重要的分類學意義。在葉綠素的卟啉環中央，是一個呈螯合態的Mg2+，四周是四個吡咯環，這四個吡咯環相互連接，形成了葉綠素基本的復雜共軛體系結構，它還有一條長長的尾巴(即葉綠醇)(圖1)。葉綠素通常存在于植物細胞葉綠體內的類囊體膜或藻類的光合膜上，一般吸收藍紫光和紅光。

圖1 葉綠素的結構

葉綠素由德國化學家韋爾斯泰特在20世紀初，采用了當時最先進的色層分離法提取并分離了葉綠素；1915年，韋爾斯泰特榮獲了諾貝爾化學獎。葉綠素分為葉綠素a～f和細菌葉綠素，其中高等植物中常見的為葉綠素a和葉綠素b，其區別在吡咯環Ⅱ上的附加基團上有差異： 前者是甲基(—CH3)，后者是醛基(—CHO)。

葉綠素不很穩定，光照、過酸、過堿、氧氣、氧化劑等都會使其分解。在酸性條件下，葉綠素分子卟啉環中的鎂離子可被氫離子取代，生成黃褐色的脫鎂葉綠素，所以在酸性條件下，葉綠素很容易被破壞。

2 碳酸鈣是如何保護葉綠素分子的

要把光合色素提取出來，一個必要的操作就是粉碎植物細胞。在提取時，常通過添加一定量的石英砂或二氧化硅(SiO2)進行研磨，石英砂的顆粒比較粗大，二氧化硅則為粉末狀固體。在破碎植物細胞的時候，植物細胞液泡中的大量酸性物質，如各種有機酸(如檸檬酸、蘋果酸等)、氨基酸等酸性物質都被釋放出來，并且與葉綠體中釋放出來的葉綠素發生接觸，極易導致葉綠素被破壞。要保護葉綠素，就必須“破壞”這些酸性物質，如何破壞酸性物質？用堿性物質來中和是最好的選擇了，碳酸鈣在這方面可以起到很好的作用：

3 可否用碳酸鈉(Na2CO3)代替碳酸鈣(CaCO3)

既然碳酸鈣具有堿性的特征，是否可以用碳酸鈉來代替碳酸鈣(CaCO3)呢？碳酸鈉易溶于水，雖然也可以有效地中和細胞溶膠和細胞液中的酸性物質，但是碳酸鈉在水中的溶解度過大，造成光合色素提取液堿性過大，很容易造成葉綠素的破壞，而碳酸鈣則不會造成過堿的現象，碳酸鈣由于其具有難溶于水的特性，可以非常方便地利用過濾法除去提取液中混有的碳酸鈣微粒，而碳酸鈉因為易溶于水，很難用普通的方法除去。

通過分析證明，葉綠素提取中是不可以用易溶于水的堿性鹽類來代替碳酸鈣的，其中包括碳酸氫鈉(NaHCO3)或碳酸鉀(K2CO3)，雖然有的學生提出來是否可以控制碳酸鈉的量來控制堿性，但是因不同植物葉片研磨液的酸度均不同，很難通過控制堿性物質的量來控制研磨后提取液的酸堿度，實際上的可行性很小。因此，在光合色素提取的實驗中，最好采用碳酸鈣作為葉綠素的保護劑。